の区間推定の各種方法について：理論と実装例ssaito/jpn/maths/actuaries_2009_presentation.pdf · ibnrの区間推定の各種方法について：理論と実装例

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IBNRの区間推定の各種方法について：理論と実装例

廣津剛裕 1 近藤宏樹 1 斎藤新悟 2

1 日新火災海上保険株式会社

2 九州大学大学院数理学研究院

2009/11/06

廣津・近藤・斎藤 (日新火災・九大数理) IBNR の区間推定 2009/11/06 1 / 22

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はじめに

A案 B案

D案 E案 F案

C案

ここで発表する結果は，

日新火災海上保険株式会社，

九州大学大学院数理学研究院

の共同研究の成果である．

共同研究メンバー（色つきは発表者）：

日新火災海上保険株式会社九州大学大学院数理学研究院廣津剛裕・佐藤拓哉谷口説男・田中立志吉満隆亮・横山慶子斎藤新悟近藤宏樹九州大学大学院数理学府

大輪拓也・川野秀一


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発表の概略

A案 B案

D案 E案 F案

C案

IBNRの復習IBNRの区間推定の諸手法(1) Mack法(2) ブートストラップ法(3) ランダムウォーク法

各手法の実装例

まとめ


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ランオフ三角形と IBNR

A案 B案

D案 E案 F案

C案

Ci,j：事故年度 i，経過年数 jまでの累積発生保険金 (i, j = 1, . . . , n).i + j 5 n + 1に対する Ci,j が既知．

経過年数 j1 2 · · · n − 1 n

事故年度i

1 C1,1 C1,2 · · · C1,n−1 C1,n

2 C2,1 C2,2 · · · C2,n−1...

...... . . .

n − 1 Cn−1,1 Cn−1,2

n Cn,1

IBNRR = (C2,n − C2,n−1) + (C3,n − C3,n−2) + · · · + (Cn,n − Cn,1).

次年度発生額S = (C2,n − C2,n−1) + (C3,n−1 − C3,n−2) + · · · + (Cn,2 − Cn,1).


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チェーンラダー法

A案 B案

D案 E案 F案

C案

チェーンラダー法は IBNRの点推定を与える．

Loss Development Factor fj =C1,j+1 + · · · + Cn−j,j+1

C1,j + · · · + Cn−j,j.

Ci,j = Ci,n+1−ifn+1−i · · · fj−1 (i + j = n + 2).

.問題.... ..

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.IBNRを区間推定するにはどうすればよいか？

−→ここでは次の 3つの方法を紹介：(1) Mack法(2) ブートストラップ法(3) ランダムウォーク法


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Mack法：モデルの拡張

A案 B案

D案 E案 F案

C案

Mack法のアイデア：チェーンラダー法を正当化する distribution-freeなモデルを設定．平均 2乗誤差を推定．

.Mackモデル..

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. ..

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(1) Ci,j は異なる事故年度 iについて独立．

(2) E[Ci,j+1|Ci,1, . . . , Ci,j ] = Ci,jfj .(3) V (Ci,j+1|Ci,1, . . . , Ci,j) = Ci,jvj .

(3)はチェーンラダー法の LDFが最良推定量であることを導くが，必ずしも自然な仮定とはいい難い．.Mackモデルの拡張..

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. ..

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(1), (2) Mackモデルと同じ．(3′) V (Ci,j+1|Ci,1, . . . , Ci,j) = Cα

i,jvj（αは任意の定数）．


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Mack法：点推定

A案 B案

D案 E案 F案

C案

.Mackモデル（拡張）での点推定..

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. ..

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パラメータは次で推定する：

fj =C1−α

1,j C1,j+1 + · · · + C1−αn−j,jCn−j,j+1

C2−α1,j + · · · + C2−α

n−j,j

,

Ci,j = Ci,n+1−ifn+1−i · · · fj−1 (i + j = n + 2),

vj =1

n − j − 1

n−j∑i=1

C2−αi,j

(Ci,j+1

Ci,j− fj

)2

.

α = 1の場合は fj はチェーンラダー法の推定量に一致する．


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Mack法：区間推定

A案 B案

D案 E案 F案

C案

R：IBNR，R：その推定量．S：次年度発生額，S：その推定量．

平均 2乗誤差mse R = E[(R − R)2

∣∣ Ci,j (i + j 5 n + 1)]を考える

（分散のようなもの）．これを用いると，Chebyshevの不等式より 95%信頼区間は次で保守的に推定できる： (

R − 2√

5 (mse R)1/2, R + 2√

5 (mse R)1/2).

.Mackの公式（拡張版）..

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. ..

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mse R, mse Sなどを推定する公式．例えばmse Sは次で推定する：

n∑i=2

C2i,n+2−i

vn+1−i

f 2n+1−i

(1

C2−αi,n+1−i

+1∑i−1

k=1 C2−αk,n+1−i

).


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ブートストラップ法

A案 B案

D案 E案 F案

C案

ブートストラップ法とは，

乱数を用いたシミュレーションで元のランオフ三角形から擬似的なランオフ三角形を作成し，

それらの IBNRの分布から元の IBNRを区間推定する方法．

Xi,j = Ci,j − Ci,j−1：事故年度 i，経過年数 jでの当該年度発生保険金．.仮定..

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. ..

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Xi,j は独立で超過分散 Poisson分布に従う．つまり，ある定数 ϕ（スケールパラメータ）について，Xi,j

ϕは独立で Poisson分布に従う．

このとき V (Xi,j) = ϕE[Xi,j ].


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ブートストラップ法：アルゴリズム

A案 B案

D案 E案 F案

C案

(1) fj：チェーンラダー法での LDFの推定量．

CCLi,j =

Ci,n+1−i

fj · · · fn−i

, XCLi,j = CCL

i,j − CCLi,j−1 (i + j 5 n + 1).

(2) ri,j =Xi,j − XCL

i,j√XCL

i,j

(i + j 5 n + 1)：Pearson残差，

ϕ =

∑i+j5n+1 r2

i,j

N − p：ϕの推定量(

N =12n(n + 1)：既知のCi,j の個数，p = 2n− 1：パラメータ数

)．


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ブートストラップ法：アルゴリズム

A案 B案

D案 E案 F案

C案

(3) 以下の操作を繰り返す：(a) 各 i, j (i + j 5 n + 1)に対して，

r∗i,j を

{√N

N − pri,j

∣∣∣∣∣ i + j 5 n + 1

}からの復元抽出サンプルとし，

X∗i,j = XCL

i,j + r∗i,j

√XCL

i,j とおく．

(b) X∗i,j (i + j 5 n + 1)からチェーンラダー法で

X∗i,j (i + j = n + 2)を作る．

(c) X∗∗i,j (i + j = n + 2)を平均X∗

i,j，分散 ϕX∗i,j の超過分散 Poisson分布

からのサンプルとする．

(d) IBNRなどを R∗∗ =∑

i+j=n+2

X∗∗i,j などで求める．

(4) 繰り返しによって得られたR∗∗の分布から信頼区間を求める．


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ランダムウォーク法

A案 B案

D案 E案 F案

C案

.仮定..

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. ..

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経過年数は連続的な値を取る変数 tとし，Ci,tは確率微分方程式

dCi,t = µ(t)Ci,tdt + σ(t)Ci,tdBit

を満たす．ただし，µ, σは連続関数で，Bit は独立な Brown運動．

これより s < tに対し，Ci,t

Ci,s∼ LogNormal

(m(s, t), v(s, t)

).

ただしm(s, t) =∫ t

s

(µ(u) − 1

2σ(u)2

)du, v(s, t) =

∫ t

sσ(u)2 du.

Ci,sとCi,t

Ci,sは独立．


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ランダムウォーク法：µ, σの推定

A案 B案

D案 E案 F案

C案

µ(t), σ(t)は次のいずれかの形であると仮定する：

α exp(−βtγ), α(1 + βt)−γ , αt−β + γ (α, β, γ > 0).

ここで，

logCi,j+1

Ci,j∼ N

(m(j, j + 1), v(j, j + 1)

)なので，既知の log

Ci,j+1

Ci,jの標本平均，不偏分散から最小二乗法により

µ(t), σ(t)を推定する．

注：logCi,j+1

Ci,jの代わりに log

Ci,j

Ci,1を用いて推定することも可能．


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ランダムウォーク法：IBNRの分布

A案 B案

D案 E案 F案

C案

IBNR備金R =n∑

i=2

(Ci,n − Ci,n+1−i)の分布を求める．

Ci,n+1−iは既知．Ci,n

Ci,n+1−i∼ LogNormal

(m(n + 1 − i, n), v(n + 1 − i, n)

).

これは Ci,n+1−iと独立．

R =n∑

i=2

Ci,n+1−i

(Ci,n

Ci,n+1−i− 1

)より分布が求まる

（iに関する独立性）．

次年度発生額 Sの分布も同様に求まる．−→信頼区間も求まる．


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実装例

A案 B案

D案 E案 F案

C案

次の実データ（仮データ）を利用：

経過年数1 2 3 4 5 6 7 8

事故年度

1 182 622 646 739 784 788 789 7962 181 548 605 715 718 722 7233 265 761 981 1,038 1,042 1,1504 333 1,011 1,076 1,170 1,3135 288 873 1,106 1,2276 278 844 1,2997 404 1,2148 374

このデータに基づいて，3つの方法で IBNR備金R，次年度発生額 Sの95%信頼区間を求める．


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実装例：Mack法

A案 B案

D案 E案 F案

C案

.Mack法の実装..

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表計算ソフト Excel，数式処理ソフトMaximaを利用して実装し，結果が合致することを確認した．

αは 0, 1, 2, 3の場合を計算した．

利点：

計算が容易でシミュレーションが不要．

プロセスリスクだけでなく，パラメータリスクも考慮している．

欠点：

信頼区間の構成に Chebyshevの不等式を用いている（distribution-freeなモデルであることの弊害）．


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実装例：ブートストラップ法

A案 B案

D案 E案 F案

C案

.ブートストラップ法の実装..

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表計算ソフト Excel，計算機代数システムRisa/Asir，プログラミング言語 Javaを利用して実装した．乱数にメルセンヌ・ツイスタを用い，速度と品質を向上させた．

信頼区間を求める際にパーセンタイル法を用いた．

超過分散 Poissonモデルの他にガンマモデルの場合にも計算した．

利点：

信頼区間の構成が容易．

プロセスリスクだけでなく，パラメータリスクも考慮している．

欠点：

シミュレーションが必要．シミュレーションのたびに結果が異なる．


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実装例：ランダムウォーク法

A案 B案

D案 E案 F案

C案

.ランダムウォーク法の実装..

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表計算ソフト Excel，統計ソフトRを利用して実装した．R, Sの分布は複雑なので，平均・分散を求めた後にChebyshevの不等式を用いて信頼区間を保守的に計算した．

利点：

数学的に自然なモデルである．

欠点：

関数の決定が困難．仮定した関数形が自然であるかは疑問．

信頼区間の構成に Chebyshevの不等式を用いている（計算を簡易化するため．原理的には解消できる）．

パラメータリスクは考慮していない．


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IBNR備金Rの推定

A案 B案

D案 E案 F案

C案

IBNR備金Rの点推定・95%信頼区間は次のようになる：

手法区間推定下端点推定区間推定上端

Mack (α = 0) 210 2,567 4,923Mack (α = 1) −46 2,497 5,040Mack (α = 2) −383 2,430 5,243Mack (α = 3) −842 2,368 5,578

ブートストラップ (Poisson) 1,249 2,516 4,110ブートストラップ（ガンマ） 1,291 2,523 4,205

ランダムウォーク 91 2,291 4,491


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次年度発生額Sの推定

A案 B案

D案 E案 F案

C案

次年度発生額 Sの点推定・95%信頼区間は次のようになる：

手法区間推定下端点推定区間推定上端

Mack (α = 0) 363 1,320 2,277Mack (α = 1) 209 1,311 2,413Mack (α = 2) 3 1,302 2,600Mack (α = 3) −268 1,292 2,853

ブートストラップ (Poisson) 663 1,324 2,183ブートストラップ（ガンマ） 664 1,328 2,231

ランダムウォーク 244 1,281 2,318


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まとめ

A案 B案

D案 E案 F案

C案

考察：

Mack法では αによって無視できない差が生じる．

点推定にはそれほど大きな差は見られないが，区間推定は手法によってまちまちであった．

Mack法，ランダムウォーク法は Chebyshevの不等式を用いるためブートストラップ法より広い信頼区間が得られる．

課題：

Mack法の αはどう定めればよいか？

ランダムウォーク法でパラメータリスクを計算できるか？

実務的な観点からは，事業年度別に信頼区間が計算できるため，

資本コスト法によるリスクマージンの計算に利用できる．

実績と比較することでモデルの妥当性が検証できる．


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参考文献

A案 B案

D案 E案 F案

C案

谷口説男編：プロシーディング「損保数理に現れる確率モデル」，Math-for-Industryレクチャーノートシリーズ，vol. 13 (2009).Hirotsu, T. and Taniguchi, S.: The random walk model revisited,Journal of Math-for-Industry, vol. 1 (2009), 1–6.Saito, S.: Generalisation of Mack’s formula for claims reservingwith arbitrary exponents for the variance assumption, Journal ofMath-for-Industry, vol. 1 (2009), 7–15.


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